天天看点

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

简介:讲述了希格斯玻色子被发现的经过,从1964年Peter Higgs预言希格斯玻色子的存在开始,到后来CERN高能粒子对撞机的建立,到后来的发现希格斯玻色子,来自世界各地的3000名科学家共同参与实验,给物理学填上了缺失的一块碎片。

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

物质客观存在的一个理论,就是我们所知的粒子物理标准模型,这个理论解释了自然界基本粒子(准确的说是17种基本粒子)与基本力的相互作用。在20世纪70年代,这一概念总结了当时所知晓的物质构成。

直到20世纪60年代,16种基本粒子才被发现,但还是有些不对劲。之后,就是在1964年,英国物理学家彼得希格斯公开了一份预测新粒子存在的论文,这个粒子能给予其他所有粒子质量,从而物质得以存在。与此同时,世界上其他物理学家也给出了一种非常相似的粒子。

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

希格斯玻色子被称为“上帝粒子”,全世界都在寻找它。如果这个粒子确实存在,这将是标准模型中最后缺失的部份。它从未被发现,因为没有哪个粒子加速器能提供足够的数据去证实它。但是在它被首次猜测的半个世纪之后,谜底最终揭开。

2012年7月4日,科学家们宣布在大型强子对撞机中发现类希格斯玻色子。这个对撞机位于欧洲核能研究组织(CERN)。

标准模型已经构建

追梦——1994年12月,大型强子对撞机建设一路绿灯,花费近100亿刀,是迄今为止最贵的科学仪器。

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

这个对撞机是世界上最大的和能量最强的粒子加速器,超导体周长达27公里(17英里)。它位于CERN地下一个100米的隧道内——大约一个足球场宽,横跨法国和瑞士,位于日内瓦附近。

在加速器内部,两道高能粒子束以接近光速来回运行,直到它们相互粉碎。在将近-271.3摄氏度,在这个比外层空间还要冷的超导体所形成的强磁场约束下,这些粒子束在加速器内环的四个地方碰撞,对应着四个粒子检测器的位置:ATLAS, CMS, ALICE, 和LHCb。

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

这并未迎来开门红,对撞机原计划于2005年左右启动,却一直推迟到2008年9月才开机。之后,仅仅在上线一星期后,一个电路错误损坏了某个磁体,导致行动又停滞了一年半。

“ATLAS帝国不需夜晚,因为这里无人困乏”

一旦启动,针对迈克尔塔特斯所描述的皇冠上的明珠——希格斯玻色子的研究就开始了。塔特斯是哥伦比亚大学物理学教授,是ATLAS试验成员之一,负责管理着美国分配给这个项目的物理学家。

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

即使物理学家没有发现这个粒子,但他们的付出也是对该项领域的贡献——这是一个没有失败的机构,塔特斯说,“即使你没有发现它,这也可能相当的妙,”塔特斯告诉Inverse,因为这可能开拓出一项新的理论。

这个团队——两只队伍在CERN——ATLAS和CMS。

实验——两组分工各有竞争。像兄弟姐妹,相互鼓励相互比试。

这两个团队像一只军队,由近3000名物理学家组成,来自十几个不同国家。

他们之间如何保持联络——研究员从近60个国家召集,这么大的分布,有优点也有不足。

“这个有点像一个英国格言,大英帝国看不到落日。ATLAS帝国也没有落日,因为总有这个几个人在世界的某个地方清醒着。”塔特斯说。这是一项预料之外的福利——这意味着有人能在系统上一直工作,他解释到。

来自世界不同地方的人“创造了一种相当有力地协同”,他说,“让你从不同的视角观看事物,并为分析研究带来新的东西。”为保持正常联络研究员们一个在CERN开几次协同会议。他们日常也用email,电话和其他多种视频会议。但是塔特斯坚持认为,没有什么东西能替代这个经典的冷水机会议。

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

迈克尔塔特斯,ATLAS实验成员之一,CERN。

为何共同协作对这项任务如此重要——粒子物理学从一开始就具有合作精神。塔特斯解释其最基本原因是,“这纯粹是由于不是在当地院校建些设施或者你后院有个加速器就能搞定的活。”“因此我认为广泛的国际合作,这是深植于粒子物理DNA中的特性。”

尽管生活被颠倒,但让研究者们和谐工作的就是科学。物理学家可能有点“女王气质”,他开玩笑到。“但是这最终是奏效的,因为我们最终有一个共同目标,并希望共同为之奋斗和实现。”

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

“没有团结协作,就没有希格斯粒子”

“你能让来自不同文化、不同教派、不同观念的人一起工作。但是出于某些原因,他们能在管理中走到一起并专注他们想做的事:科学。”

两组不同的队伍,为共同的目标,但是却能形成良性竞争,塔特斯说,“如果两个试验出现同一现象,那么你就有极大的信心认为这就是真理。”

这种在CERN培育的群体已经成为人类学家和社会学家的研究项目。如此多物理学家因共同的事业而设法去工作和协同,这是不可思议的!

那么,他们成功了吗?在2021年7月4日,这个ATLAS和CMS试验共同宣布他们发现一个种质量在125GeV电子伏的新粒子——这很可能就是希格斯玻色子。

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

希格斯在CERN发表演讲时,将这一发现描述为“发生在我有生之年的一件不可思议的事情。”在宣传这一消息时,他还擦着激动的泪水。为防止人们在里面露营,CERN礼堂也因此关闭了三天。

消息披露时,塔特斯正在纽约。这个消息在瑞士时间早上9点正式宣布的——美国西部时间凌晨3点。尽管这样,他还是打算组织一场Party,把喜事告诉城里相关的人。“但是我遇到两种回答,一个是,7月4日凌晨3点——你够疯狂。另一个是——好消息!”

从祖父到儿童,大约一百来号人,全都高兴地聚到一起。他描述这个值得庆祝的里程碑是“激动时刻”。

共同奋斗,3000位科学家永久改变物理学进程

在CERN,2013诺贝尔物理学宣布时刻(CERN)

在接下来的这年,就是2013年8月8日,因对希格斯玻色子理论的联合研究,希格斯与比利时物理学家弗朗西斯科安格勒共同分享诺贝尔物理学奖。

下步是什么——发现希格斯玻色子是一项不可思议的功绩,但是这不是到此为止。这里仍然有很多工作让物理学家长时间投入。现在不是合上这个标准模型之书的时候,而是希格斯玻色子的发现打开了物理学的新道路。

现在最大的问题就是科学家所发现的粒子是不是如标准模型所描述的确确实实的希格斯玻色子,或者是其他不同的更复杂的东西。

但是,无论如何,发现这个粒子的里程碑式成就无可质疑的是艰苦协作的成果。“最重要的是”,塔特斯说,“没有协作,就没有今天的发现。”

BY: inverse

FY: 龙城D哥

如有相关内容侵权,请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

继续阅读